Mesure de la masse volumique de l’eau interfoliaire dans les smectites ; application aux courbes capillaires

Experimental measurement of density of interlayer water in smectites : application to suction curves

Commissariat à l’énergie atomique, Centre d’études de Cadarache DTN/SMTM/LMTE Bâtiment 307 13108 Saint-Paul-lez-Durance joel.raynal@cea.fr, France.

Résumé

Dans cette étude, le comportement du système argile-eau est abordé à partir des potentiels hydriques correspondant au domaine des humidités relatives comprises entre 5 et 97 % HR, soit un potentiel de succion entre 400 et 4 MPa, en utilisant cinq smectites sous forme de poudre. Dans ces conditions, l’espace interagrégats n’est pas saturé par de l’eau. Par contre, la variation de la distance basale d₀₀₁ des feuillets argileux est concommitante avec une évolution de la teneur en eau du matériau, montrant que c’est l’espace interfoliaire qui est le principal siège de l’hydratation. A travers la détermination de la masse volumique de solide, à l’aide d’un pycnomètre à hélium, la masse volumique de cette eau interfoliaire a pu être déterminée expérimentalement. Quand on détermine le volume total d’une poudre en pycnométrie sur un matériau argileux, il est nécessaire d’effectuer une correction pour tenir compte du volume occupé par l’eau. Les premières corrections, utilisant une masse volumique de l’eau égale à celle de l’eau pure, n’ont pas donné de résultats satisfaisants. Pour retrouver les données expérimentales, il est nécessaire de prendre en compte une masse volumique de l’eau interfoliaire comprise entre 1,14 et 1,18 mg/m³. Cette valeur dépend notamment de la composition de l’ion échangeable et, en particulier, du rapport sodium/calcium échangeables. Une telle valeur de masse volumique de l’eau aurait en particulier pour conséquence une diminution de 10-15 % du degré de saturation et une modification des courbes capillaires.

Abstract

The purpose of this work is to study the particular physical properties of interlayer water in clay-water systems. Five smectites, in a powder form, are studied at different hydric potentials in a range of relative humidity between 5 and 97 %. These relative humidities correspond to a suction potential between 400 MPa and 4 MPa.

Regardless of these RH conditions, the interaggregates space is never saturated with water. We also observed that the basal spacing d₀₀₁ of the clay sheets changes in accordance with the evolution of water content These facts lead us conclude that the interlayer space is the main location where the hydratation occurs, i.e. where we expect the physical properties such as the water density to be different from bulk water.

The density of the interlayer water and the solid density are simultaneously measured by means of a helium pycnometer. When measuring the total volume of a powder with this method, a correction is needed to take into account the volume occupied by water. Corrections using) a density of the water equal to that of pure water did not give satisfactory results To attain an agreement with the experimental results, we had to recalculate the density of the interlayer water. These values are found to lie between 1,14 and 1,18 Mg/³ for the studied clays and depend on the population of exchangeable cations present in the interlayer space, especially on the sodium/calcium ratio. The consequences of a such water density upon suction curves las a decrease of 10-15% on the saturation degree) are discussed.